(北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076)

0 引言

安全閥是一種自動(dòng)閥門(mén)，利用介質(zhì)本身的壓力來(lái)排出額定數(shù)量的流體，防止鍋爐、壓力容器或壓力管道等承壓裝置和設(shè)備內(nèi)壓力超過(guò)預(yù)定安全值，發(fā)生超壓而破壞，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行和人員安全[1-3]。但安全閥容易發(fā)生內(nèi)漏，引起介質(zhì)流失浪費(fèi)，嚴(yán)重的可引發(fā)安全事故。

安全閥內(nèi)漏主要有以下幾種原因。

(1)密封面損傷：蒸汽沖蝕閥瓣產(chǎn)生劃痕，腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，高速介質(zhì)沖刷劃痕。

(2)密封面材質(zhì)不良:維修多年，密封面研磨過(guò)低，硬度和密封性能下降。

(3)硬質(zhì)物卡在密封面上:研磨磨料清除不干凈，臟污水垢積存。

(4)密封面研磨質(zhì)量差。

(5)安全閥零件同軸度損壞。

具體案例如圖1，2所示。

圖1 閥瓣密封面損傷圖片

圖2 閥瓣密封面銹蝕劃傷圖片

傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員聽(tīng)聲判斷或?qū)踩y從管路上拆下進(jìn)行離線檢測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能及時(shí)掌握安全閥的內(nèi)漏情況。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)方便、無(wú)需停產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)[4-9]。采用該技術(shù)可監(jiān)測(cè)安全閥內(nèi)漏情況，以便能及時(shí)維修更換受損安全閥，防止介質(zhì)浪費(fèi)，減小安全事故發(fā)生的概率，具有重要的研究意義。

1 安全閥內(nèi)漏聲信號(hào)檢測(cè)基本理論

1.1 聲發(fā)射理論

圖3 聲發(fā)射原理示意

聲發(fā)射是指物體或材料在受到形變或外力作用時(shí)，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象[10]，如圖3所示。安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射屬于廣義聲發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)安全閥發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，流體從閥座與閥瓣縫隙中噴出，產(chǎn)生應(yīng)力波聲發(fā)射信號(hào)，其中包含了安全閥內(nèi)漏特征，因此，可以采用靈敏的儀器來(lái)接收和處理聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出安全閥內(nèi)漏位置、泄漏程度和發(fā)展趨勢(shì)等。

1.2 安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻特征

安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，為了從聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)中提取表征安全閥內(nèi)漏特征的信息，需要采用信號(hào)特征平均值而非瞬時(shí)值，平均信號(hào)電平ASL表示采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，可將其作為安全閥內(nèi)漏判別標(biāo)準(zhǔn)[11]。平均信號(hào)電平ASL表示如下:

(1)

式中ASL——聲發(fā)射信號(hào)平均信號(hào)電平，dB；

RMS——有效值電壓，mV；

pre——前置放大器放大倍數(shù)。

有效值電壓RMS表示采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)的均方根值，對(duì)于離散聲發(fā)射信號(hào)，其中含有N個(gè)樣本，分別為x[0]，x[1],x[2]，…，x[n-1],均方根值方程可表示為：

(2)

內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)可以估算安全閥泄漏率，需要借助聲功率作為中間變量。對(duì)于安全閥來(lái)說(shuō)，內(nèi)漏信號(hào)的聲功率近似等于泄漏信號(hào)的平均能量，兩者關(guān)系簡(jiǎn)單定義如下[12]：

P∝RMS2

(3)

式中P——聲功率，W。

而聲功率的對(duì)數(shù)與泄漏率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系[13]，即有：

lgRMS=blgQ+c

(4)

式中Q——泄漏率，ml/min；

b,c——系數(shù)，其值與安全閥類(lèi)型、漏孔類(lèi)型、泄漏孔徑大小、入口壓力、泄放介質(zhì)類(lèi)型以及安全閥閥體尺寸等因素有關(guān)。

由式(1)，(4)可得：

ASL=blgQ+d

(5)

式中d——系數(shù)，由公式(1)，(4)推導(dǎo)后所得。

安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射頻域信號(hào)中的特征頻率、頻率峰值等特征值，同樣能提供安全閥內(nèi)漏特征，這些特征值可通過(guò)對(duì)安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換(FFT)得到。

2 試驗(yàn)裝置與檢測(cè)系統(tǒng)

安全閥內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)[14]由安全閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)臺(tái)和安全閥內(nèi)漏信號(hào)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成,如圖4所示。

圖4 安全閥內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)

安全閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)臺(tái)由氮?dú)鈿庠?、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表、流量計(jì)和安全閥內(nèi)漏模擬樣機(jī)組成，如圖5,6所示。安全閥內(nèi)漏模擬樣機(jī)選用規(guī)格為3K4的HTO系列彈簧載荷式安全閥，入口公稱(chēng)壓力600磅。為了模擬安全閥不同泄漏狀態(tài)，對(duì)安全閥閥瓣進(jìn)行加工處理。試驗(yàn)用閥瓣共有4個(gè)，其中3個(gè)進(jìn)行了開(kāi)槽處理，尺寸分別為：0.15 mm×0.5 mm，0.3 mm×0.5 mm、雙槽0.15 mm×0.5 mm×2，用來(lái)模擬密封面出現(xiàn)單個(gè)和多個(gè)漏孔的情況；另外一個(gè)通過(guò)砂紙?jiān)诿芊饷嫔线M(jìn)行了手工打磨、模擬密封面劃傷。由于安全閥內(nèi)漏氣體泄漏率很小，所以氣體體積泄漏率采用皂膜流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖5 安全閥內(nèi)漏模擬樣機(jī)

安全閥內(nèi)漏信號(hào)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采用美國(guó)某公司生產(chǎn)的聲發(fā)射系統(tǒng)，包括：傳感器、前置放大器、聲發(fā)射采集卡及配套的聲發(fā)射軟件。聲發(fā)射傳感器為寬帶傳感器，頻率范圍15 Hz～40 kHz，諧振頻率為30 kHz。前置放大器增益為40 dB。

圖6 安全閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)臺(tái)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

安全閥內(nèi)漏檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，首先將安全閥內(nèi)漏模擬樣機(jī)固定在安全閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)臺(tái)上，連接安全閥內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)；接著，打開(kāi)氣源，調(diào)節(jié)樣機(jī)入口處壓力，控制氣體流量，待泄漏穩(wěn)定后，通過(guò)皂膜流量計(jì)測(cè)量流量，并通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)記錄安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)；然后，改變安全閥入口壓力(分別為0.01，0.02，…,0.1 MPa)，對(duì)不同泄漏狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)；最后，通過(guò)安全閥內(nèi)漏信號(hào)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，將信號(hào)進(jìn)行采集放大濾波等處理，提取需要的信號(hào)特征值。更換不同類(lèi)型、不同尺寸的安全閥漏孔，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程。

3.1 安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域與頻域特征

選用不同類(lèi)型、不同口徑安全閥漏孔在不同壓力下進(jìn)行安全閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)，采集內(nèi)漏聲發(fā)射時(shí)域頻域信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)分析安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射時(shí)域頻域信號(hào)，可以初步判斷安全閥是否處于內(nèi)漏狀態(tài)。由于漏孔類(lèi)型不同，試驗(yàn)所需入口壓力會(huì)相應(yīng)變化，以圖7～9幾種情況為例(其中，左圖為時(shí)域波形圖，右圖為頻譜圖)，選取內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形圖及頻譜圖，對(duì)安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。

通過(guò)對(duì)以上各類(lèi)型漏孔在不同入口壓力下的內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)圖形分析，得出如下結(jié)論。

(1)安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型信號(hào)，通過(guò)觀察聲發(fā)射頻域信號(hào)是否具有頻域峰值，可初步判斷安全閥是否發(fā)生內(nèi)漏。

(2)峰值頻率處于超聲頻段范圍為20～30 kHz，對(duì)于單個(gè)漏孔內(nèi)漏，峰值頻率在20 kHz附近，對(duì)于密封面劃傷，峰值頻率在30 kHz附近，損傷越小，峰值頻率越大。

(3)對(duì)于同類(lèi)型漏孔，入口壓力越大，泄漏率越大，安全閥內(nèi)漏信號(hào)峰值頻率隨孔徑減小而增大，隨泄漏率增大而增大，但是影響很小、變化不明顯，幅值隨泄漏率增大而增大。

(a)入口壓力0 MPa

(b)入口壓力0.03 MPa

(c)入口壓力0.05 Pa圖7 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔在不同入口壓力時(shí)的 聲發(fā)射信號(hào)及頻譜

圖8 0.3 mm×0.5 mm方形漏孔在入口壓力為 0.03 MPa時(shí)聲發(fā)射信號(hào)及頻譜

圖9 手工打磨漏孔在入口壓力為4.5 MPa時(shí) 聲發(fā)射信號(hào)及頻譜

3.2 單個(gè)漏孔內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的影響及泄漏率量化分析

3.2.1 單個(gè)漏孔內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的影響

安全閥單個(gè)漏孔內(nèi)漏情況下，泄漏率和漏孔大小會(huì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生影響。平均信號(hào)電平ASL表示采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，可將其作為安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度判別標(biāo)準(zhǔn)。判斷泄漏率大小對(duì)于安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的影響，需要在相同漏孔的情況下進(jìn)行比較；而判斷泄漏孔大小對(duì)于安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的影響，需要在相同泄漏率的情況下進(jìn)行比較。由式(5)可知，泄漏率Q的對(duì)數(shù)與平均信號(hào)電平ASL呈線性關(guān)系，為便于觀察對(duì)比，擬合圖像時(shí)，圖像橫坐標(biāo)選取為泄漏率的對(duì)數(shù)。以0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm方形漏孔為例進(jìn)行試驗(yàn)，擬合泄漏率與平均信號(hào)電平ASL的曲線，如圖10所示。

圖10 0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm 方形漏孔ASL隨泄漏率的變化曲線

由圖10可以看出，對(duì)于單個(gè)漏孔內(nèi)漏，在同一漏孔條件下，泄漏率越大，泄漏聲信號(hào)平均信號(hào)電平ASL值越大，這是由于泄漏率越大，泄漏流速越大，氣體與閥瓣閥座的沖擊作用越劇烈，造成的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度越大；在相同泄漏率條件下，泄漏孔越小，泄漏聲信號(hào)平均信號(hào)電平ASL值越大，信號(hào)強(qiáng)度越高，越容易檢測(cè)到。這是因?yàn)樵谙嗤孤┞实臈l件下，漏孔越小，氣體噴流流速越快，氣體與閥瓣閥座的沖擊作用越劇烈，造成的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度越大。所以對(duì)于單個(gè)漏孔安全閥內(nèi)漏來(lái)說(shuō)，在同一漏孔的條件下，泄漏越大越容易被檢測(cè)到；在相同泄漏率的條件下，小漏孔的泄漏更容易被檢測(cè)到。

3.2.2 單個(gè)漏孔內(nèi)漏泄漏率量化分析

如能根據(jù)安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)特征值計(jì)算出安全閥內(nèi)漏泄漏率，則可以更直接地判斷安全閥的內(nèi)漏程度或密封面損傷程度。根據(jù)式(5)可知，對(duì)于單個(gè)漏孔內(nèi)漏，安全閥泄漏聲發(fā)射信號(hào)ASL值與泄漏率的對(duì)數(shù)符合線性關(guān)系，由此，可通過(guò)測(cè)得安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)ASL值，估算出安全閥內(nèi)漏率。以0.15 mm×0.5 mm方形漏孔為例，通過(guò)采集不同泄漏率下的聲發(fā)射信號(hào)ASL值，利用origin對(duì)兩者進(jìn)行一次線性擬合，擬合出的曲線,如圖11所示。

圖11 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔ASL隨泄漏率的變化曲線

3.3 多個(gè)漏孔內(nèi)漏下聲發(fā)射信號(hào)的影響因素

當(dāng)安全閥發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不止一個(gè)漏孔，當(dāng)多個(gè)漏孔都產(chǎn)生泄漏導(dǎo)致介質(zhì)流失時(shí)，由于每個(gè)漏孔的泄漏率占總泄漏率的百分比未知，此時(shí)泄漏率就無(wú)法與聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)應(yīng)，無(wú)法根據(jù)單孔內(nèi)漏的情況進(jìn)行分析,所以有必要對(duì)多孔內(nèi)漏情況下的安全閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行探究。對(duì)此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙漏孔結(jié)構(gòu)，兩個(gè)漏孔類(lèi)型尺寸均為0.15 mm×0.5 mm的方形開(kāi)槽漏孔。同時(shí)，用一個(gè)0.15 mm×0.5 mm方形開(kāi)槽單漏孔結(jié)構(gòu)作為對(duì)比，分析漏孔數(shù)量對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)ASL值的影響,如圖12,13所示(圖中Q為安全閥內(nèi)漏泄漏率)。

圖12 ASL隨單漏孔和雙漏孔泄漏率的變化曲線

圖13 ASL隨單漏孔泄漏率和雙漏孔一半泄漏率的 變化曲線

由圖12,13可以看出，在相同ASL值條件下，雙漏孔的泄漏率近似等于單漏孔泄漏率的2倍。而雙漏孔結(jié)構(gòu)中每個(gè)漏孔尺寸完全相同，每個(gè)漏孔的泄漏率相同，則雙漏孔結(jié)構(gòu)每個(gè)漏孔的泄漏率與單漏孔的泄漏率一樣。說(shuō)明對(duì)于多孔泄漏的情況，聲發(fā)射信號(hào)的ASL值與單個(gè)漏孔的信號(hào)ASL值有關(guān)，并不會(huì)因?yàn)槁┛讛?shù)量多而產(chǎn)生信號(hào)疊加的情況。綜上可知，在安全閥多漏孔內(nèi)漏情況下，聲發(fā)射信號(hào)ASL值與單個(gè)漏孔的泄漏率有關(guān)，而與總泄漏率無(wú)關(guān)。

4 結(jié)論

針對(duì)石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)中的安全閥，基于理論分析和試驗(yàn)研究的方法，模擬了安全閥密封面劃傷、密封面出現(xiàn)單個(gè)漏孔、密封面出現(xiàn)多個(gè)漏孔等內(nèi)漏情況，并研究了這些情況下聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征，泄漏率對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)平均信號(hào)電平ASL的影響，以及泄漏率與平均信號(hào)電平之間的量化關(guān)系，得出如下結(jié)論。

(1)首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在安全閥的內(nèi)漏檢測(cè)中，利用聲發(fā)射技術(shù)能夠有效檢測(cè)安全閥的內(nèi)漏狀態(tài)，為安全閥內(nèi)漏檢測(cè)提供了一種新的方法。

(2)安全閥內(nèi)漏峰值頻率范圍為20～30 kHz。對(duì)于單個(gè)漏孔內(nèi)漏情況，峰值頻率在20 kHz附近；對(duì)于密封面劃傷內(nèi)漏情況，峰值頻率在30 kHz附近。安全閥內(nèi)漏峰值頻率隨孔徑減小而增大，隨入口壓力增大而增大，但是影響很小,變化不明顯。

(3)安全閥單個(gè)漏孔內(nèi)漏情況，在同一漏孔的條件下，泄漏越大越容易被檢測(cè)到，在相同泄漏率的條件下，小漏孔的泄漏更容易被檢測(cè)到。可根據(jù)公式ASL=blgQ+d對(duì)泄漏率Q和平均信號(hào)電平ASL進(jìn)行擬合;通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)平均信號(hào)電平ASL值即可估算安全閥內(nèi)漏泄漏率,確認(rèn)了后期在線監(jiān)測(cè)安全閥內(nèi)漏、估算泄漏率的可行性。

(4)安全閥多漏孔內(nèi)漏情況下，聲發(fā)射信號(hào)的ASL值與單個(gè)漏孔泄漏率有關(guān)，與總泄漏率無(wú)關(guān)，并不會(huì)產(chǎn)生各漏孔聲發(fā)射信號(hào)疊加的情況。